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DPA-Switch系列集成控制器在小功率DC-DC变换器中的应用(一)

发布时间:2020-06-24 发布时间:
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1.引言

  DPA-Switch是美国Power Integration公司推出的新型系列集成控制器,目前有DPA423R、DPA424R、DPA425R和DPA426R四种型号。该系列集成控制器采用CMOS工艺,其拓扑形式与TOPSwitch系列集成控制器相同,内部集成高压功率MOSFET、PWM控制电路、故障保护电路以及其他控制电路,是小功率DC-DC变换器高度集成解决方案的理想选择。


2.特点和引脚说明

2.1 特点
  
  DPA-Switch系列集成控制器具有以下特点:

  (1)内部集成电流检测电路;

  (2)内置自动重启动功能,在输出过载及开路状态下提供相应的保护;

  (3)定频PWM控制,300KHz和400KHz两种开关频率可供选择;

  (4)输入电压范围宽:16VDC-75VDC;

  (5)电压模式控制,在不进行斜坡补偿的条件下,占空比能够达到75%,同时提供5-10KHz的环路带宽;

  (6)源极接线结构可有效降低EMI;

  (7)线电压欠压保护功能符合ETSI标准;

  (8)具有线电压过压保护功能;

  (9)采用低成本电路结构实现同步整流功能;

  (10)具有软启动功能,有效降低系统应力和过冲;

  (11)限流功能可通过外部电路编程控制;

  (12)最大占空比可编程控制;

  (13)支持正激和反激电路拓扑;

  (14)独特的周期跳越功能;

  (15)采用滞后型过热关断功能实现系统故障自动恢复;

  (16)具有外部时钟信号同步功能。

2.2 引脚说明

  DPA-Switch系列集成控制器采用6引脚TO-263-7C封装。
  ·Control(C)(引脚1):控制引脚,误差放大器及反馈电流输入端,用于占空比控制。在正常工作状态下,由内置分流调节器提供内部偏置电流。电源旁路及自动重启动/补偿电容也接于该脚。

  ·Line-Sense(L)(引脚2):母线检测引脚,过压信号、欠压锁定信号、母线前馈信号、远程ON/OFF信号以及同步信号输入端。该脚与Source脚(引脚4)相连其功能将失效。

  ·External Current Limit(X)(引脚3):限流功能外部控制引脚,外部限流调节信号、远程ON/OFF信号输入端。该脚与Source脚(引脚4)相连其功能将失效。

  ·Source(S)(引脚4):内部输出MOSFET的源极引脚,变压器原边控制电路公共端及参考点。

  ·Frequency(F)(引脚5):开关频率选择端,该端与Source脚(引脚4)相连,开关频率为400KHz,该脚如与Control脚(引脚1)相连,开关频率为300KHz。

  ·Drain(D)(引脚6):内部高压输出MOSFET漏极输出端,内部高压偏置电流源通过该端提供驱动偏置电流。该端还是内部漏极电流限幅检测端。


3.工作原理

  DPA-Switch系列集成控制器的内部原理框图如图2所示。由于DPA-Switch采用了与TOPSwitch相同的拓扑形式,因此TOPSwitch所具有的高压启动、逐周限流、环路补偿、自动重启动以及过热关

断等基本功能,DPA-Switch同样具备。除此以外,DPA-Switch还具有一些更先进的功能:

  (1)5ms软启动限流功能,能够有效限制抑制系统启动瞬间的峰值电流和峰值电压,最大限度的减小或去除输出过冲的影响;

  (2)最大占空比和母线前馈功能使DPA-Switch更适用于正激和反激变换器;

  (3)工作频率高达400KHz,磁性部件尺寸更小,所提供的环路带宽更宽;

  (4)轻载时的周期跳越功能最大限度的降低了待机功耗;

  (5)母线欠压检测功能确保系统在上电或掉电过程中正常工作,并使系统符合相关标准;

  (6)母线过压保护功能使DPA-Switch在输入过压和母线浪涌电压条件下获得足够的保护;

  (7)限流功能可以通过外部电路进行设置,极大的提高了设计的灵活性,并能够有效的抑制因过载而造成的功率激升;

  (8)能够实现同步功能;

  (9)能够实现远程ON/OFF功能;

  (10)具有热故障排除后系统自动恢复功能;

  (11)开关频率、限流阈值以及欠压锁定阈值精确而稳定,受温度变化的影响很小。

[page]3.1 Control引脚的工作过程

  DPA-Switch的Control引脚呈低阻抗状态,可同时接受供电和反馈混合信号。在正常工作状态下,芯片内部的分流调节器会将反馈信号从混合信号中分离出来。Control引脚上的电压Vc用于向芯片内部的控制电路供电,包括为输出MOSFET驱动器供电。实际应用当中,需在Control引脚和Source引脚之间接一只旁路电容,以提供MOSFET的栅极驱动电流。该电容的大小将对自动重启动时间和控制环路补偿产生影响。

  在启动过程中,当直流输入电压施加在Drain引脚上时,输出MOSFET处于关断状态,接在Control引脚上的电容通过芯片内部集成在Control引脚和Source引脚之间的高压电流源进行充电。当Contro引脚上的电压Vc上升至5.8V左右时,控制电路开始工作,系统进入软启动状态。软启动电路使占空比由零逐渐上升至最大值,这一过程将持续大约5ms的时间。软启动过程结束时,高压电流源关断。如果此时Control引脚上没有反馈-供电混合信号出现,软启动电容将开始放电。如果设计正确,且系统不存在开环或过载等故障,在Control引脚上的电压放电至4.8V的欠压锁定

之前,外部反馈环路将向Control引脚提供电流,以维持对Control引脚上电容进行充电。当电容电压充至5.8V的分流调节器阈值时,超过芯片正常工作所需电流的富余部分将通过电阻RE分流至Source。该电流控制MOSFET占空比的大小,以实现闭环控制。分流调节器的输出阻抗ZC相当低。如果采用原边反馈结构,该阻抗的大小将决定误差放大器的增益。控制环路的主极点将由控制引脚的动态阻抗Zc和接在Control引脚上的外部电容共同决定。占空比与Control引脚电流之间的关系如图3所示。

  当系统出现开路或过载故障后,外部流入Control引脚的电流受到影响,接在Control引脚上的电容开电。当电容上的电压降至4.8V时,自动重启动电路开始工作,输出MOSFET被关断,控制电路进入小电流待机状态。此时高压电流源开启,重新对外接电容进行充电。芯片内部的滞回比较器通过控制高压电流源的开启和关断,使VC始终保持在4.8V-5.8V这一窗口电压范围之内。在自动重启动电路中包含一个八分之一分频器,该分频器确保MOSFET在经过8个充/放电周期之后才会再次开通。这样一方面能够有效降低DPA-Switch的功耗,另一方面由于自动重启动周期内的占空比仅为4%,系统在该过程中向输出端传输的功率也大大降低。故障排除,系统恢复正常后,自动重启动周期才会结束,否则该过程将一直持续下去。DPA-Switch的典型工作波形图如图4所示。


3.2 振荡器和开关频率的选择

  DPA-Switch芯片内部的振荡器通过对内置电容器的充放电,生成PWM控制器所需的锯齿波。PWM控制器和限流调节器的门限值由振荡器在每个工作周期初始阶段设定。
通常开关频率应设为400KHz,此时应将Frequency引脚与Source引脚相连。在某些情况下,如采用次级同步整流时,需要将开关频率设得低一些。此时需要将Frequency引脚与Control引脚连在一起,这时的开关频率将为300KHz。

3.3 PWM和最大占空比控制

  DPA-Switch芯片采用的是电压控制模式,生成的PWM脉冲宽度与流入Control引脚的那部分富余电流成反比。这部分超过芯片正常工作所需的富余电流通过电阻RE转化为电压后作为反馈误差信号送入PWM比较器。该信号经过一个转折频率为30KHz的RC网络滤波,去除芯片内部输出MOSFET产生的开关噪声信号的干扰后,与内部振荡器发出的锯齿波信号相比较,最终生成PWM驱动脉冲信号。随着控制电流的上升,占空比逐渐下降。输出MOSFET的开通阈值由振荡器时钟信号决定,PWM控制器能够将该阈值复位,并使输出MOSFET关断。这里需要注意的是,在占空比开始变化之前,Control引脚上必须注入控制电流。

  DCMAX是最大占空比,其默认值的典型值为75%。如果在Line-Sense(L)引脚和直流输入端之间增加一只特定阻值的电阻,当输入电压升高时,DCMAX将由75%下降至33%。

3.4 最小占空比和周期跳越控制

  负载发生变化时,占空比也将随之发生改变。占空比的变化与Control引脚上的电流成反比。当Control引脚上的电流上升时,占空比将线性下降,直至最小占空比DCMIN。当占空比达到DCMIN时,如果此时Control引脚上的电流继续上升2mA,PWM控制器会强行将占空比由DCMIN逐步降至0。这一特点保证了在负载所需功率低于DC MIN状态下变换器的传输功率时系统工作在周期跳越模式。由正常工作状态转至周期跳越状态是系统自动完成的,无需任何附加控制。随着负载所需功率的上升或下降,系统将根据实际需要在正常工作状态和周期跳越状态之间进行转换。当然,如果需要也可以将周期跳跃这一功能去掉。具体做法是在变换器输出端上接一个很小的负载,使占空比始终维持在DC MIN之上即可。

3.5 误差放大器
  
  在采用原边反馈控制的应用中,分流调节器还可以起到误差放大器的作用。分流调节器的电压由温度补偿型带隙基准提供,误差放大器的增益则由Control引脚的动态阻抗决定。加在Control引脚上的电压信号被箝位于Vc,电流信号一部分用于维持芯片的正常工作,其富余部分则由分流调节器分流后流经电阻RE作为电压误差信号。

3.6 限流功能

  DPA-Switch具有逐周漏极峰值电流限幅功能,该功能是借助输出MOSFET的导通电阻作为检测电阻而实现的。限流比较器将输出MOSFET导通状态时的漏-源电压VDS(ON)和特定的阈值电压相比较。当VDS(ON)超过这一阈值时,输出MOSFET将被关断直至下一个工作周期开始。限流比较器阈值经过了温度补偿,能够最大限度的减小输出MOSFET的RDS(ON)随温度变化而对限流功能产生的影响。限流阈值可以通过外部电路进行编程控制,即在External Current Limit(X)引脚和Source引脚之间接一只电阻,就可以实现对芯片预设限流阈值的调整,调整范围为预设限流阈值的25%至100%之间。如果将限流阈值调低,就可以选用更高一级规格的DPA-Switch芯片,利用其更低的RDS(ON)来实现更高的转换效率。如果在External Current Limit(X)引脚和直流输入端之间再接一只电阻,如前所述,随着输入电压的升高,限流阈值将随之下降,以实现功率限制,这在反激变换器中尤为重要。

  在输出MOSFET开通之后,限流比较器将被上升沿消隐电路短暂的屏蔽。如果变换器设计正确的话,上升沿消隐电路将有效防止输出MOSFET因电流尖峰造成的异常关断。这里,电流尖峰主要是由原边电容和副边整流二极管反向恢复引起的。

3.7 母线欠压检测

  系统上电时,母线欠压检测功能将使DPA-Switch保持关断状态,直到输入母线电压达到欠压阈值上限。系统掉电时,母线欠压检测功能将使DPA-Switch保持开通状态,直到输入电压降至欠压阈值下限。欠压阈值的上限和下限取值由接在Line-Sense(L)引脚和直流输入端之间的电阻决定。为了防止因噪声引发的误触发,欠压阈值下限被设为阈值上限的94%。如果在正常工作状态下,欠压检测信号达到阈值下限,且这一状态持续的时间超过10μs,芯片将被关断直到欠压检测信号重新达到阈值上限。在此之后,当Control引脚上的电压上升至5.8V时,将进入软启动阶段。如果变换器在欠压检测信号重新达到阈值上限之前处于异常状态,芯片将进入自动重启动状态。在每个自动重启动周期即将结束时,欠压比较器被激活。如果欠压检测信号达不到阈值上限,在下一个周期,输出MOSFET将被禁止。需要说明的是,欠压检测功能可以被禁止,而且独立于母线过压关断功能。

3.8 母线过压关断

  母线过压关断阈值同样由母线欠压检测电阻决定。当母线电压超过过压关断阈值时,输出MOSFET将在一个开关周期内被强制关断。过压关断阈值与欠压阈值的比值被预置为2.7。由于输出MOSFET关断时,反射电压以及漏极尖峰电压的出现,输入浪涌将大大增加。同样,为了防止误触发,过压阈值也留有一定的裕量。与欠压检测功能相同,过压关断功也能够被禁止,并独立于母线欠压检测功能。

[page]3.9 母线前馈及DCMAX下降

  Line-Sense(L)引脚和直流输入端之间的电阻还能够起到母线电压前馈的作用,以减小输出纹波,降低母线瞬态变化对变换器输出产生的影响。在Control引脚上电流相同的条件下,母线电压越高,占空比越小。当母线电压达到过压阈值时,DCMAX将由75%下降至33%,这样能够有效防止正激变换器中变压器因大的负载瞬变而饱和。

3.10 远程ON/OFF控制

  所谓DPA-Switch的远程ON/OFF控制是相对于逐周ON/OFF控制而言的。DPA-Switch的开通和关断可以通过控制流入Line-Sense(L)引脚或流出External Current Limit(X)引脚的电流进行控制,这样就可以通过多种方式实现DPA-Switch的远程ON/OFF控制。例如在External Current Limit(X)引脚和Source引脚之间接入一只开关管或光耦,远程ON/OFF控制功能将被激活,而在Line-Sense(L)引脚和Control引脚之间接入一只开关管或光耦,远程ON/OFF控制功能将被禁止。

  当发生欠压、过压故障,或者接收到远程OFF信号时,DPA-Switch在输出关断之前仍会使相应的电流开关周期得以完成。此时,内部振荡器将停止工作直到故障信号排除。

  远程ON/OFF控制能够使变换器在待机状态,以及DPA-Switch在长时间关断状态下的功耗保持在相当低的水平。如果DPA-Switch在远程关断状态下的时间超过10μs,Control引脚将进入滞回工作模式。在该模式下,Control引脚上的电压通过充放电周期在4.8V至5.8V之间交替变化。此时,高压直流输入将与DPA-Switch完全断开,芯片处于极低功耗状态。当DPA-Switch接收到远程开通信号时,芯片将在Control引脚上的电压再次达到5.8V时重新进入启动过程。在最坏情况下,DPA-Switch在接收到远程开通信号到重新启动的延迟时间将等于Control引脚外接电容的充-放电周期。假设Control引脚上的外接电容为22μF时,延迟时间将为36ms。

  远程ON/OFF控制功能能够替代机械开关,从而降低系统成本。同时,还能够实现微处理器控制。

3.11 同步功能

  除了检测过压、欠压以及远程ON/OFF信号外,Line-Sense(L)引脚还通过一个1V的阈值比较器监测自身的引脚电压。如果Line-Sense(L)引脚上的电压低于1V,则允许DPA-Switch开通。如果Line-Sense(L)引脚上的电压超过1V,DPA-Switch将被关断。在输出被强制关断之前,DPA-Switch仍将继续使相应的电流开关周期得以完成。振荡器在本次电流开关周期结束时停止工作,直到Line-Sense(L)引脚上的电压重新恢复到1V以下。利用这一特性,可以通过外部触发信号实现DPA-Switch的同步,而且该信号的频率可以低于DPA-Switch的开关频率。在Line-Sense(L)引脚和Source引脚之间接入一只开关管或光耦,同步功能将得以实现。

  为了准确的接收同步脉冲,Line-Sense(L)引脚应保持低电平(开通状态),并持续至少120ns。当开关频率为400KHz时,该时间不能超过2250ns;当开关频率为300KHz时,该时间不能超过3080ns。同步状态下,有效的DCMAX可通过下式计算出来:
DCMAXSYNC=0.75×fSYNC/fOSC
  
  另外,DPA-Switch的关断时间不能超过7.7μs。如果超过了7.7μs,Control引脚将进入滞回工作模式。同步功能时序图如图5所示。


3.12 软启动功能

  系统启动过程中,软启动功能将被激活,并将持续约5ms的时间。在此时间间隔内,占空比由0线性的上升至75%,同时限流阈值将由85%上升至100%。另外,在自动重启动过程以及Control引脚滞回工作模式下,软启动功能都将被激活。软启动功能能够有效降低输出MOSFET、箝位电路以及输出整流电路在启动过程中的电流和电压应力。同时还能够有效抑制变压器在启动过程中的过冲,防止变压器饱和。

3.13 关断和自动重启动功能

  为了降低DPA-Switch在故障状态下的功耗,关断和自动重启动电路只在自动重启动周期才动作。

3.14 滞回过热保护功能

  当DPA-Switch的结温超过137℃时,滞回过热保护电路将关断输出MOSFET。当结温下降至110℃时,DPA-Switch将恢复正常工作。在过热保护过程中,Control引脚处于滞回工作模式。

3.15 带隙基准

  DPA-Switch的内部供电电压由温度补偿型带隙基准提供。该基准同时还作为温度补偿型电流基准,精确设定DPA-Switch的开关频率、限流阈值以及母线过压/欠压阈值。

3.16 高压偏置电流源
  
  DPA-Switch内部的高压偏置电流源通过Drain引脚为芯片提供偏置,并在启动和滞回工作模式下对Control引脚上的外接电容进行充电。滞回工作模式出现在自动重启动、远程OFF以及过热关断过程中。在这种工作模式下,高压偏置电流源的有效占空比仅为20%。该占空比的大小由Control引脚上的充电电流和放电电流的比值决定。当输出MOSFET开始正常工作时,高压偏置电流源停止工作。

[page]4.功能引脚的使用

  DPA-Switch有三个功能引脚:Frequency(F)、Line-Sense(L)和External Current Limit(X)。

  其中Frequency引脚的用法比较简单,这里不做赘述。Line-Sense引脚和External Current Limit引脚的功能丰富,下面主要介绍这两个功能引脚的用法。这两个引脚的特性图如图6所示。

4.1 Line-Sense引脚各种功能的实现

  利用Line-Sense引脚能够实现5种功能,即过压保护、欠压锁定、母线前馈、远程ON/OFF以及同步。

  在Line-Sense引脚与直流输入端之间接一只电阻即可实现过压保护、欠压锁定和母线前馈功能。如图7所示。在这种模式下,过压和欠压阈值由电阻RLS的阻值决定。

  如果只需要欠压锁定功能,而无需过压保护功能,可以按照图8的接法将过压保护功能屏蔽掉。反之,按照图9的接法,则可以将欠压锁定功能屏蔽掉,只保留过压保护功能。

  在Line-Sense引脚和Control引脚之间接一只开关管,可以禁止远程ON/OFF功能,如图10和图11所示。
同步功能的实现如图12所示。



4.2 External Current Limit引脚各种功能的实现

  当电流由External Current Limit引脚流出时,该引脚将起到一个1.3V电压源的作用,其拉电流能力为230 µA。当拉电流达到230 µA时,该引脚将由电压源转为电流源。借助External Current Limit引脚能够实现限流阈值外部设定和远程ON/OFF激活两种功能。
限流阈值外部设定的实现如图13和图14所示。远程ON/OFF激活功能的实现如图15和图16所示。


4.3 组合功能的实现
  
  根据需要,借助Line-Sense引脚和External Current Limit引脚的组合可以实现更多的功能,如图17、图18和图19所示。




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